Качательно -поршневой двигатель , не путать с свинг-музыкальной группой Swing Engine , представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания , в котором поршни совершают круговое движение внутри кольцеобразного «цилиндра», приближаясь и удаляясь от каждого другое для обеспечения сжатия и расширения. Обычно используются два набора поршней, предназначенных для перемещения в фиксированном положении при вращении вокруг цилиндра. В некоторых версиях поршни колеблются вокруг фиксированного центра, а не вращаются вокруг всего двигателя. Эту конструкцию также называют колебательным поршневым двигателем , вибрационным двигателем , когда поршни колеблются, а не вращаются, или тороидальным двигателем, основанным на форме «цилиндра».
Было предложено множество двигателей с качающимся поршнем, но ни один из них не увенчался успехом. Две попытки примерно в 2010 году — это прототип двигателя MYT американского производства [1] и прототип российского ORE для использования в гибридном автомобиле Yo-Mobile . Оба заявили о высокой топливной эффективности и высоком соотношении мощности к весу, но не было успешной демонстрации заявленной эффективности или того, что двигатели достаточно долговечны для практического использования.
Поворотно-поршневые двигатели были первоначально представлены в 1820-х годах как альтернативные конструкции паровых двигателей , до широкого внедрения паровой турбины . В этих примерах «поршень» обычно не имеет цилиндрической формы, как в современной конструкции внутреннего сгорания, а обычно имеет прямоугольное поперечное сечение, если смотреть сверху, и вращается в плоском дисковом «цилиндре». Сбоку они представляют собой либо плоские пластинки, либо клиновидную форму. Термин «поворотно-поршневой» в этих случаях не совсем точен, но рабочий цикл идентичен и здесь правильно учтен.
Первый известный пример был представлен Элайджей Галлоуэем в 1829 году для привода корабля. Он имел одну лопасть, вращающуюся на 270 градусов. Похоже, эта версия так и не была построена, хотя модель все еще существует в Музее науки . Галлоуэй также разработал широкий спектр чисто роторных двигателей с лопастями. [2]
Более серьезной попыткой была «Кембрийская система» Джона Джонса в 1841 году. В этой конструкции использовались две или три плоские пластины, которые были приспособлены для перемещения ближе или дальше друг от друга по мере продолжения цикла. Когда пластины оказались в самой близкой точке, пар пропускался между ними с помощью клапана, раздвигая их по мере продолжения цикла. Когда пластины достигли максимального расстояния, открылся внутренний проход, который позволил частично расширенному пару течь через центр устройства в область на другой стороне лопастей, которые теперь находились на минимальном расстоянии. Таким образом, конструкция фактически представляла собой составной двигатель . [2]
За этим последовало множество вариаций, и некоторые из них нашли ограниченное применение в полевых условиях. Примечательным среди них был проект Джона Эрикссона 1843 года, который приводил в движение USS Princeton , первый пароход в США с винтовым двигателем. Чарльз Парсонс изучил эту концепцию и, по-видимому, разработал две конструкции двигателя с качающимся поршнем, прежде чем перейти к паровой турбине. Братья Рутс сконструировали поворотно-поршневой двигатель уникального типа, хотя более известны они благодаря конструкции нагнетателя . [2]
Неясно, был ли когда-либо запущен в производство какой-либо двигатель внутреннего сгорания с поворотно-поршневым механизмом, но ближайшей попыткой, похоже, является конструкция немецкого Отто Лутца времен Второй мировой войны . Всего в его конструкции было шесть поршней, по три каждого, прикрепленных к двум дискам. Диски были сцеплены друг с другом, образуя шесть камер между поршнями, так что в любой момент один набор из трех камер был «близко друг к другу», а другой набор из трех камер был «на большом расстоянии друг от друга», что варьировалось между этими двумя крайностями, как диски вращались. Время было организовано таким образом, чтобы камеры достигали точки «близости друг к другу» над свечой зажигания и точки «широко разнесенной друг к другу» над впускными и выпускными отверстиями. Это действие похоже на двигатель Ванкеля , основное отличие которого состоит в том, что двигатель Ванкеля создает сжатие и расширение за счет формы двигателя и ротора, а не относительного движения поршней.
Двигатель Лутца разрабатывался как экспериментальный газогенератор для нового типа авиационного двигателя , который заменил традиционный центробежный или осевой компрессор своей конструкцией с поворотным поршнем. В конечном итоге выхлопные газы будут использоваться для привода турбины, а эта мощность будет использоваться для приведения в движение пропеллера для создания турбовинтового двигателя . Для этой роли выхлопной газ был слишком горячим, чтобы его можно было использовать непосредственно в турбине, учитывая доступные в то время материалы, поэтому в двигателе было второе «выхлопное отверстие», через которое выпускался холодный воздух под давлением, который затем смешивался с горячими выхлопными газами. Для прямого использования мощности, в отличие от привода турбины, эту «третью область» двигателя можно просто оставить открытой для воздуха, чтобы избежать потери мощности из-за ненужного сжатия.
У первых испытательных двигателей были некоторые незначительные проблемы, в частности, с уплотнением, но они были устранены, и двигатели проходили испытания в 1944 году. Особенно хорошей особенностью двигателей с качающимся поршнем является то, что их можно крепить болтами друг к другу вдоль общего коленчатого вала. сделать двигатель большего размера, и с каждой дополнительной ступенью работа становится более плавной и единственная деталь, которую нужно сделать больше, это коленчатый вал. Подобную схему с радиальным двигателем обычно сложнее организовать, особенно систему охлаждения, а двигатели с рядным расположением двигателя вскоре становятся настолько длинными, что удержание коленчатого вала от вибрации становится серьезной проблемой (см., например, Chrysler IV-2220 ).
Каждый «цилиндр» конструкции Лутца имел диаметр 0,70 м и глубину всего около 30 см, обеспечивая мощность 445 л.с. при массе 140 кг — отличное соотношение мощности к весу по сравнению даже с реактивными двигателями той эпохи. Для его турбовинтовой концепции был предложен пятиблочный вариант, обеспечивающий мощность 3450 л.с. от двигателя длиной около 2 м. При хорошем соотношении мощности и веса плотность двигателя была просто превосходной.
В целом турбовинтовой двигатель больше походил на реактивный двигатель, чем на поршневой. Поворотно-поршневой газогенератор располагался в середине длинной гондолы, спереди располагался пятиступенчатый осевой компрессор, а сзади — трехступенчатая турбина. Компрессор использовался как в качестве нагнетателя поршневого двигателя, так и в качестве подачи холодного воздуха для охлаждения турбины. Фактическая мощность пропеллера, сочетающего в себе поршни и турбины, составляла 4930 л.с. на высоте 10 000 м, что намного превышало мощность любого немецкого проекта военного времени.
Зачем нужны все эти сложности для создания новой версии турбовинтового двигателя, основным преимуществом которого была простота? Основная проблема обычных реактивных двигателей заключается в том, что сгорание происходит в открытой камере, что значительно менее эффективно, чем закрытая камера поршневого двигателя, где она имеет постоянный (или близкий к нему) объем. Цикл Отто или цикл Дизеля , используемый в поршневых двигателях, имеет гораздо меньший удельный расход топлива , чем цикл Брайтона традиционных газотурбинных двигателей на низких оборотах. Конструкция Лутца предназначалась для использования в бомбардировщиках и патрульных самолетах сверхдальнего радиуса действия , где экономия топлива была важнее простоты и производительности.
Позже Лутц запатентовал конструкцию под названием «Роторный компрессор и другие двигатели», патент США № 2 301 667. [3] [4]
Конструкция Лутца — не единственный способ создания такого двигателя: BMW экспериментировала с традиционным двигателем с тарельчатыми клапанами на камерах сгорания, который ранее неоднократно использовался в экспериментах. Другой подход заключается в том, чтобы утилизировать часть тепла выхлопных газов в теплообменнике и использовать его вместо топлива для нагрева сжатого воздуха — концепция, использованная General Motors в ряде автомобильных турбин. Однако в целом усовершенствования базового поршневого двигателя «малой мощности» не позволили ни одной из этих усовершенствованных конструкций выйти на рынок.
В 1990-х годах ряд изобретателей вновь представили эту концепцию, как если бы она была новой. Примеры включают двигатель Angel Labs [5] «Массивный, но крошечный», Rotoblock, [6] Roundengine, [7] Trochilic Engine и разработки Чуди и Хуза. [8] [9] В 2009 году российский промышленник-миллиардер Михаил Прохоров объявил о своих планах войти в автомобильный бизнес с серией легких гибридных автомобилей , использующих эту конструкцию в качестве основного двигателя . [10] Еще одним недавним изобретением, нацеленным на гибридный рынок, является «Hüttlin Kugelmotor», который сочетает в себе концепцию поворотного поршня с модифицированным автоматом перекоса для создания сферической конструкции, которая напрямую приводит в действие внутренний электрический генератор . [11]
Двигатель Чуди также известен как «двигатель кошки-мышки» или «ножничный двигатель». [12]